LT7040B - Optinis CO2 koncentracijos matuoklis dujų absorbcijos pagrindu - Google Patents

Optinis CO2 koncentracijos matuoklis dujų absorbcijos pagrindu Download PDF

Info

Publication number
LT7040B
LT7040B LT2022520A LT2022520A LT7040B LT 7040 B LT7040 B LT 7040B LT 2022520 A LT2022520 A LT 2022520A LT 2022520 A LT2022520 A LT 2022520A LT 7040 B LT7040 B LT 7040B
Authority
LT
Lithuania
Prior art keywords
gas
concentration
detector
ppm
absorption
Prior art date
Application number
LT2022520A
Other languages
English (en)
Other versions
LT2022520A (lt
Inventor
Vidmantas REMEIKIS
REMEIKIS Vidmantas
Artūras PLUKIS
PLUKIS Artūras
Rita PLUKIENĖ
PLUKIENĖ Rita
Original Assignee
Valstybinis mokslinių tyrimų institutas Fizinių ir technologijos mokslų centras
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valstybinis mokslinių tyrimų institutas Fizinių ir technologijos mokslų centras filed Critical Valstybinis mokslinių tyrimų institutas Fizinių ir technologijos mokslų centras
Priority to LT2022520A priority Critical patent/LT7040B/lt
Priority to EP23169998.4A priority patent/EP4276444A1/en
Publication of LT2022520A publication Critical patent/LT2022520A/lt
Publication of LT7040B publication Critical patent/LT7040B/lt

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—Specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/004—Specially adapted to detect a particular component for CO, CO2
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
    • G01N2021/3166—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths using separate detectors and filters

Abstract

Išradimas priklauso optiškai nustatomų dujų koncentracijos matavimo prietaisams ir skirtas CO2 koncentracijos įvertinimui visur, kur svarbu nustatyti CO2 koncentraciją ypač plačiose ribose nuo 1 ppm iki 106 ppm. CO2 koncentracijos matuoklis, turintis 3 optiškai efektyvius detektorius, dirbančius infraraudonų 3,4–4,0 µm, 4,2–4,35µm, 4,35–4,45µm bangų ilgių ruožuose atitinkamai, iš kurių vienas jautrus izotopiniam 13CO2 sugerties spektrui (4,35–4,45µm), skirtas patikimai matuoti CO2 koncentraciją 500–106 ppm diapazone. Natūraliame CO2 dujų mišinyje 13C izotopo yra 100 kartų mažiau nei 12C, todėl esant 2–500 ppm koncentracijoms matavimai vykdomi pasitelkiant įprastą 12CO2 detektorių (4,2–4,35 µm ruože), o padidėjus koncentracijom (500–106 ppm), kai 12CO2 detektoriaus signalas tampa netiesinis dėl Beer-Lambert‘o dėsnio arba įsisotina, matavimai dėl išaugusio rotovibracinių virpesių intensyvumo realizuojami pasitelkiant 13CO2 izotopologą. Prietaiso analizatoriuje skaitmeninio valdymo bloko laikinis algoritmas užtikrina automatinį CO2 koncentracijų matavimą visam plačiam diapazone nuo 1 ppm iki 106 ppm išlaikant signalo tiesiškumą. Tokiu būdu matuoklyje išplečiamas CO2 koncentracijos matavimo diapazonas pasinaudojant sugertimi infraraudonajame sugerties spektro diapazone atskirais CO2 izotopologais, naudojant tą patį nekoherentinės spinduliuotės šaltinį.

Description

TECHNIKOS SRITIS
Išradimas priklauso optiškai nustatomų dujų koncentracijos matavimo prietaisams ir skirtas CO2 koncentracijos įvertinimui ypač plačiose koncentracijų ribose. Išradimas yra susijęs su įrenginiais, kurių pagalba vertinamos optiškai nustatomų dujų koncentracijos ir jie gali būti panaudoti tiek teršalų/atliekų charakterizavimo srityje tiek kaip savarankiški (CO2 koncentracijos patalpos oro kontrolei) prietaisai, tiek kaip pagalbiniai - CO2 koncentracijos matavimo mazgai integruoti kitų įrenginių konstrukcijoje pvz. prie masių spektrometrų, suminės anglies analizatorių ar radioanglies savitojo aktyvumo nustatymo įrenginyje, kur iš degintuvo išeinančių CO2 dujų koncentracija yra didelė (<103 ppm).
TECHNIKOS LYGIS
Optiniai dujų absorbcijos matuokliai nustato dujinės analitės koncentraciją dujų mėginyje, matuodami šviesos, praeinančios per dujų mėginį, sugertį dėl absorbcijos pagal dominančią analitę. Daugelis tokių matuoklių naudoja šviesos šaltinius infraraudonųjų spindulių srityje (0,8 iki 40 pm), kur tokios dujos kaip anglies dioksidas, anglies monoksidas ir metanas turi absorbcijos linijas (CO2 sugerčiai įvertinti pasirinktos natūraliai egzistuojančių izotopų (98,89 % 12C ir 1,11 % 13C) sugerties linijos - 12C 4,2-4,35 pm, 13C 4,35-4,45 pm ruožuose atitinkamai). Natūraliame CO2 dujų mišinyje 13C izotopo yra 100 kartų mažiau, todėl paprastai matavimai vykdomi pasitelkiant 12C izotopo rotacinius-vibracinius sugerties spektrus, tačiau esant 100 kartų padidintom koncentracijom matavimai gali būti realizuojami pasitelkiant 13C izotopą.
Reikiamo bangos ilgio šviesos šaltinis gali būti bet koks plačiajuostis šviesos šaltinis: kaitrinė lemputė, fluorescencinė lempa, didelio intensyvumo išlydžio lempa arba plazminis šaltinis, bet koks koherentinis kietakūnis šviesos šaltinis (šviesos diodas) - šviestukas (3500-4500 nm bangos ilgių ruože).
Infraraudonųjų spindulių (IRS) matuokliuose plataus bangos ilgio diapazono šviesa sugeriama dujų mėginyje ir matuojamas praeinančios šviesos intensyvumas pasirinkto bangos ilgio diapazone, į kurią įeina viena ar daugiau dominančios analitės absorbcijos linijų. Matavimas vyksta paprastai naudojant tam tikrų dažnių juostos filtrą ir šviesai jautrų detektorių, pvz.: fotodiodą.
Analizuojamų dujų koncentracija nustatoma pagal Beer-Lambert‘o dėsnį:
l=loexp(-olc) (1) čia lo pradinis šviesos intensyvumas, I - šviesos kelio ilgis (atstumas, kurį šviesa praeina per medžiagą nuo šaltinio iki detektoriaus), c yra analitės (CO2) koncentracija dujose, o a yra medžiagos absorbcijos koeficientas. Kai ai mažas dydis (1) aproksimuojama tiesiškai:
l=lo(1-alc) (2)
Beer-Lambert dėsnis taikomas monochromatinei spinduliuotei, o atitinkamą polichromatinės šviesos santykį galima nustatyti susumavus/suintegravus skirtingų bangų intensyvumus. Šviesos nueitas kelias gali priklausyti nuo matuoklio geometrijos, j tai reikia atsižvelgti taikant Beer-LambertO dėsnį, bei pakoreguoti pagal empirinius matavimus.
Paprastai zonduojami keli šaltinio šviesos bangos ilgiai - 4,2-4,45 pm sugeriamas matuojamoje analitėje, 3,4-4,0 pm nesugeriamas - jis veikia, kaip atraminis signalas.
EP1972923A2 aprašytas optinis dujų absorbcijos matuoklis gali naudoti vieną detektorių, kuris matuoja dviejuose bangos ilgių diapazonuose, naudojant kintamo bangos ilgio Fabry-Perot interferometrą, arba naudojant skirtingo bangos ilgio filtrus turinčius du detektorius matavimo ir atraminiam signalams registruoti.
Artimiausias pagal techninę paskirtį yra optinis dujų absorbcijos matuoklis, aprašytas straipsnyje Jane Hodgkinson, Richard Smith, Wah On Ho, John R. Saffell, Ralph P. Tatam, Non-dispersive infra-red (NDIR) measurement of carbon dioxide at 4.2 pm in a compact and optically efficient sensor, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 186, September 2013, Pages 580-588, https://doi.orq/10.1016Zj.snb.2013.06.006.
Žinomas matuoklis pasižymi detektavimo riba nuo 1 ppm CO2 dujoms, matuojant trumpą laiką (—100 s, matuojant ilgiau dėl triukšmo/signalo santykio detektuojamos koncentracijos nuo 10 ppm), o prietaiso triukšmo lygis (triukšmo lygiavertė absorbcija) yra 3*10-5. 20 mm diametro ir 15,5 mm aukščio optinis dujų absorbcijos matuoklis turi korpusą ir darbinę kamerą su vidine sienele ir kiauryme korpuse, per kurią dujų mėginys patenka j kamerą, taip pat turi šviesos šaltinį (kuris gali būti kaitrinė lemputė, šviesos diodas, fluorescencinė lempa, didelio intensyvumo išlydžio lempa), veidrodžius, detektoriaus valdymo bloką, bei neaušinamą detektorių (piroelektrinį arba šiluminį), kuris matuoja šviesos intensyvumą. Visa konstrukcija sukonstruota taip, kad šaltinio šviesa prasiskverbtų per dujų mėginį ir atsispindėjusi bent viename iš veidrodžių išdėstytų aplink detektorių patektų ant jautraus detektoriaus paviršiaus. Tokiame standartizuoto dydžio jutiklyje, fokusuojant veidrodžiais maksimaliai padidinamas šviesos kelias analizuojamose dujose iki 32 mm (vidutinis efektyvus kelio ilgis), tuo pačiu padidinamas matavimo tikslumas ir jautrumas, bet paliekama pakankamai didelė jutiklio tolerancija gamybos trūkumams ir naudojamos šviesos intensyvumo, spektrinių savybių ir (arba) šviesos kelio pokyčiams. Kuo didesnis sugeriamos šviesos kelio ilgis analizuojamose dujose - tuo mažesnes koncentracijas galima užregistruoti, tačiau daugeliu atveju yra pageidaujama, kad CO2 jutikliai dirbtų plačiame dinaminiame diapozone siekiant išmatuoti iki 100 % (kontroliuojamų procesų matavimams). Šis optinis dujų absorbcijos matuoklis matuoja CO2 koncentraciją pagal 12C 4,2 pm bangos ilgio intensyvumą 10-100ppm diapazone, kai matavimo trukmė daugiau nei 100 s.
Žinomas įrenginys turi šiuos trūkumus:
- Netiesiškumai sekantys iš Beer-LambertO dėsnio (1) apriboja didelių koncentracijų matavimus dėl triukšmų bei signalo įsotinimo detektoriuje. Kuo didesnė koncentracija arba ilgesnis šviesos kelias prietaise, tuo greičiau pasiekiama sotis ir neįmanoma užregistruoti didelių CO2 koncentracijų. Netiesiškumas yra pagrindinis tokio detektoriaus trūkumas.
- esant didelei <500 ppm CO2 dujų koncentracijai toks detektorius labai greitai įsisotina - gaunamas perstiprintas signalas - neišmatuojamas impulso amplitudės aukštis;
- tam, kad tiksliai išmatuoti <500 ppm CO2 dujų koncentraciją, reikia papildomų veiksmų - keisti slėgį, skiesti dujas ir pan., dėl nekintamo dydžio kameros - tokie veiksmai sudėtingi/negalimi.
- didelės koncentracijos (<500 ppm) (pvz., iš degintuvo išeinančių) CO2 dujų nustatymui, toks dviejų bangos ilgių (atraminio ir (4,2-4,35 pm) 12CO2 sugerties) matuoklis netinka.
- kai matuojama kintanti (plataus diapazono 1 ppm-106 ppm) pratekančių dujų koncentracija, toks dviejų bangos ilgių (atraminio ir (4,2-4,35 pm)- 12CO2 sugerties) - matuoklis netinka, nes bus išmatuojama neteisinga vidutinė per tam tikrą laiką pratekėjusių dujų koncentracija, nes skirtingu laiko momentu (staiga padidėjus dujų koncentracijai) signalas gali būti netiesinis.
Sprendžiama techninė problema
Išradimu siekiama praplėsti nuo 1 ppm iki 106 ppm didelės koncentracijos CO2 dujų absorbcijos matuoklio matavimo dinaminį diapazoną, neprarandant matavimo tiesiškumo, matuojant toje pačioje kameroje ir išlaikant matavimo tikslumą (±1 % nuo matuojamos koncentracijos dydžio).
IŠRADIMO ESMĖS ATSKLEIDIMAS
Uždavinio sprendimo esmė pagal pasiūlytą išradimą yra ta, kad optiniame CO2 koncentracijos matuoklyje dujų absorbcijos pagrindu, apimančiame korpusą, turintį darbinę kamerą, kur darbinės kameros viename gale yra įtaisytas šviesos šaltinis, o kitame gale, priešais šviesos šaltinį, įtaisytas detektorių mazgas, apimantis tris detektorius ir analizatorių, kur už šviesos šaltinio tarp jo ir detektorių mazgo išdėstyta priemonė, nukreipianti šviesą į detektorių paviršius, korpuse yra bent viena įėjimo anga, skirta tiriamoms dujoms įleisti j kamerą ir išleidimo anga, skirta dujoms išleisti iš kameros, kur minėti pirmasis detektorius, antrasis detektorius ir trečiasis detektorius, kiekvienas yra uždengtas individualiai suprojektuotu atitinkamai skirtingu filru.
Detektorių mazgą sudaro:
- pirmasis detektorius (4‘) su 100 nm arba didesnės skiriamosios gebos filtru (9‘) skirtas matuoti CO2 bangos ilgio (3,4-4,0 pm) neabsorbuotos šviesos intensyvumą, kaip atraminį signalą,
- antrasis detektorius (4“) su 100 nm arba didesnės skiriamosios gebos filtru (9“) yra jautrus 12CO2 sugerties spektrui (vibracinių virpesių bangos ilgis 4,2-4,35 pm) ir matuoja CO2 koncentraciją 2-500 ppm diapazone,
- trečiasis detektorius (4“‘) su 100 nm arba didesnės skiriamosios gebos filtru (9“‘) yra jautrus 13CO2 sugerties spektrui (vibracinių virpesių bangos ilgis 4,354,45pm) ir matuoja CO2 koncentraciją 500-106 ppm diapazone.
Minėtas analizatorius apima priešstiprintuvius, skirtus detektorių išėjimo signalams pastiprinti ir perduoti atitinkamai j du diferencialinius stiprintuvus, skirtus gautiems signalams tarpusavyje palyginti ir perduoti j skaitmeninį valdymo bloką, veikiantį pagal laikinį matavimo proceso algoritmą, kuris pagal palyginimo rezultatus subalansuoja detektorių sistemą, matuojant per pasirinktą laiko tarpą atramines dujas visais trimis detektoriais, nustatant jiems vienodas darbo sąlygas, o po to atlieka matavimus tiriamose dujose palyginus antrojo ir trečiojo detektorių signalus automatiškai pagal 12CO2 ir pagal 13CO2 izotopologų sugerties linijas su pirmojo detektoriaus atraminiu signalu ir pagal gautus palyginimo rezultatus nustato CO2 koncentracijos pokytį tiriamose dujose, kuriuos perduoda j kompiuterį, skirtą išvesti, registruoti bei vizualizuoti rezultatus ir palyginus su analogišku kalibracinių dujų matavimu - nustatyti CO2 koncentraciją.
Šviesos šaltinis gali būti pasirinktas iš grupės, apimančios bet kokį plačiajuostį (nekoherentinį) šviesos šaltinį, tokį kaip kaitrinė lemputė arba šviesos diodas - 4000-4500 nm bangos ilgio ruožo šviestukas.
Pirmasis, antrasis ir trečiasis detektoriai yra neaušinami fotodiodai.
Darbinė kamera sukonfigūruota su galimybe po užpildymo dujomis ją uždaryti ir atlikti nejudančių dujų kiekio kameroje CO2 dujų koncentracijos matavimą per pasirinktą laiko tarpą.
Darbinė kamera sukonfigūruota su galimybe matavimo metu tiriamoms dujomis pro ją tekėti ir matuoti kintamos koncentracijos pratekančių per laiko vienetą CO2 dujų kiekio koncentraciją.
Išradimo naudingumas
Matuoklio veikimo principas yra pagrįstas gera CO2 dujų infraraudonosios spinduliuotės sugertimi 4,2-4,45 pm bangos ilgio srityje, kuris būdingas šioms dujoms. Pasiūlytas optinis dujų absorbcijos CO2 koncentracijos matuoklis išmatuoja šviesos šaltinio spinduliuotės intensyvumą 4,2-4,45 nm bangos ilgio srityje ir palyginus išmatuotą vertę su to paties šaltinio spinduliuotės intensyvumu 3,4-4,0 pm bangos ilgio (be sugerties) srityje, įvertinamas sugerties intensyvumas. Palyginus matuojamoms dujoms gautą sugerties intensyvumą su sugerties intensyvumu kalibracinėse (žinomos koncentracijos ir žinomo srauto) dujose, gaunama tiksli pro jį pratekėjusių CO2 dujų koncentracija. Tai yra stacionaraus dujų kiekio arba pratekančio srauto dujų CO2 koncentracijos matuoklis, kur dujų (CO2) koncentracija gali kisti laike, o matuokliu matuojama suvidurkinta CO2 koncentracijos vertė per tam tikrą laiko intervalą.
Pasiūlytas matuoklis leidžia CO2 koncentraciją įvertinti ypač plačiose ribose nuo 1 ppm iki 106 ppm, esant mažam (~3 ml) matavimo tūriui, neprarandant matavimo tiesiškumo esant įsotintam signalui, ir neprarandant tikslumo (±1 % nuo matuojamos koncentracijos dydžio) plačiam dinaminiam koncentracijų diapazone nuo 1 ppm iki 106 ppm.
Toks optinis dujų absorbcijos CO2 koncentracijos matuoklis su praplėstu dinaminiu matavimo diapazonu (nuo 1 ppm iki 106 ppm) būtų labai naudingas matuoti tiek mažas, tiek ir padidintas CO2 koncentracijas masių spektrometriniams prietaisams, suminės anglies ar kitokiems dujų koncentracijos analizatoriams.
Toks optinis dujų absorbcijos CO2 koncentracijos matuoklis su praplėstu dinaminiu matavimo diapazonu (nuo 1 ppm iki 106 ppm) galėtų matuoti kintančios koncentracijos pratekančių dujų (CO2) koncentracijas turint tiesinį signalą prie bet kokios koncentracijos vertės (1-500 ppm matuojant pagal 12C izotopą, o šimtąkart padidėjus koncentracijai (<500 ppm) pagal 13C izotopą.
Toks optinis dujų absorbcijos CO2 koncentracijos matuoklis su praplėstu dinaminiu matavimo diapazonu (nuo 1 ppm iki 106 ppm) taip pat būtų tinkamas išmatuoti padidintas CO2 koncentracijas kambario ore. Natūraliai CO2 koncentracija lauko ore svyruoja tarp 300 ir 400 ppm (sudaro 0,03-0,04 % oro tūrio), o nevėdinamoje patalpoje gali siekti iki 1000 ppm (blogos sąlygos >3000 pmm) matuoklis tinkamas patalpos oro sąlygų užtikrinimui kontroliuoti.
TRUMPAS BRĖŽINIŲ APRAŠYMAS
Fig. 1 - pavaizduota optinio dujų absorbcijos CO2 koncentracijos matuoklio blokinė schema.
Fig. 2 - pavaizduoti teoriniai 12CO2 molekulės roto-vibraciniai absorbcijos spektrai 4,2-4,45 pm bangos ilgių ruože (pagal HITRAN duomenų bazę).
Fig. 3 - pavaizduota teoriniai 13CO2 molekulės roto-vibraciniai absorbcijos spektrai 4,35-4,45 pm bangos ilgių ruože (pagal HITRAN duomenų bazę).
Fig. 4 - pavaizduota analizatoriaus blokinė schema.
Fig. 5 - pavaizduotas laikinis matavimų algoritmas.
Fig. 6 - pavaizduotas matuojamo 12CO2 signalo dėl (eksponentinio) koncentracijos didėjimo jsisotinimas bei 13CO2 signalo atsiradimas atitinkamai koncentracijai padidėjus 100 kartų.
PASIŪLYTO IŠRADIMO VIENAS IŠ REALIZVIMO PAVYZDŽIŲ
Fig. 1 pavaizduota pasiūlyto matuoklio blokinė schema, kurią sudaro korpusas 1, turintis darbinę kamerą 2, kur darbinės kameros 2 viename gale yra įtaisytas šviesos šaltinis 3, o kitame gale, priešais šviesos šaltinį 3, įtaisytas detektorių mazgas 4, sudarytas iš trijų detektorių (4‘, 4“, 4‘“) ir analizatoriaus 5. Už šviesos šaltinio 3 tarp jo ir detektorių mazgo 4 išdėstytas lęšis 6, nukreipiantis šviesos šaltinio 3 spinduliuotę į detektorių (4‘, 4“, 4‘“) paviršius. Korpuse padaryta įėjimo anga 7, skirta tiriamoms dujoms įleisti j kamerą 2 ir išleidimo anga 8, skirta dujoms išleisti iš kameros 2. Pirmasis detektorius 4‘, skirtas matuoti CO2 bangos ilgio (3,4-4,0 pm) neabsorbuotos šviesos intensyvumą, kaip atraminį signalą. Minėti pirmasis, antrasis ir trečiasis detektoriai (4‘, 4“, 4‘“) yra uždengti atitinkamai skirtingais filtrais (9‘, 9“, 9‘“), praleidžiančiais į detektorių atitinkamai bangos ilgių diapazonus 3,8-4,1 pm, 4,2-4,35 pm ir 4,35-4,45 pm. Antrasis detektorius 4“ yra jautrus 12CO2 sugerties spektrui (roto-vibracinių virpesių bangos ilgis 4,2-4,35 pm) ir matuoja CO2 koncentraciją 2-500 ppm diapazone. Trečiasis detektorius 4‘“ yra jautrus 13CO2 sugerties spektrui (roto-vibracinių virpesių bangos ilgis 4,35-4,45 pm) ir matuoja CO2 koncentraciją 500-106 ppm diapazone.
500-106 ppm CO2 koncentracija įvertinama tokiu būdu: iki 500 ppm 12CO2 matuojama antruoju (4“) 4,2-4,35 pm bangos ilgiui jautriu detektoriumi ir lyginama su pirmuoju atraminio detektoriaus (4‘) signalu, o dar padidėjus CO2 koncentracijai, dėl išaugusio 13C roto-vibracinių virpesių intensyvumo 4,35-4,45 pm bangų ruože trečiuoju detektoriumi (4“‘) efektyviai matuojama 13CO2 koncentracija, tokiu būdu palyginus detektorių signalus labai tiksliai nustatoma CO2 koncentracija, kai CO2 dujos yra 500-106 ppm, be papildomų priemonių (pvz. skiedimo).
Signalų palyginimas ir nustatymas vyksta detektorių signalų analizatoriuje 5, kuriuo gali būti taip pat ir spektrometras, jeigu optinis dujų absorbcijos CO2 koncentracijos matuoklis yra jo dalis, o ne savarankiškas prietaisas.
Fig. 4 pavaizduota pasiūlyto matuoklio signalų analizatoriaus 5 blokinė schema skirta automatiškai pagal 12C ir pagal 13C izotopų sugerties linijas matuoti CO2 koncentraciją dujose plačiam koncentracijų diapazone išlaikant signalo tiesiškumą.
Signalų analizatoriaus 5 schemą sudaro trys priešstiprintuviai (10‘, 10“, 10‘“), kurie pastiprina atitinkamai detektorių (4‘, 4“, 4‘“) išėjimo signalus ir nukreipia j diferencialinius stiprintuvus (11“, 1T“), kurių išėjimo signalai patenka į skaitmeninį valdymo bloką 12, perduodantį jo išėjimo signalus j duomenų išvedimo įrenginį 13 (pvz. kompiuterį). Diferencialiniai stiprintuvai (11“, 11‘“), skirti sustiprinti ir palyginti detektorių signalus, kad subalansuotų sistemą matuojant pirmą kartą ir automatiškai pagal signalo intensyvumą pasirinkti reikiamo diferencialinio stiprintuvo duomenis, matuojant atitinkamai mažos (pagal 12C) 11“ arba didelės (pagal 13C) 11‘“ koncentracijos CO2 dujas. Diferencialiniame stiprintuve 11“ palyginami užregistruotas 12C (10“) ir atraminis (10‘) signalai, diferencialiniame stiprintuve 1T“ palyginami užregistruotas 13C (10“‘) ir atraminis (10‘) signalai. Procesai skaitmeninio valdymo bloke 12 (pvz. CORTEX-M3 procesoriuje) vyksta pagal laikinį algoritmą (Fig.5). Dujos gali būti matuojamos stacionariame rėžime arba dujų prapūtimo rėžime - abiem atvejais pasirenkamas tam tikras matavimo laikas (pvz., 100 s), kurio metu analizatoriuje 12 susumuojamas per pasirinktą laiką detektoriuje užregistruotų impulsų skaičius.
Fig. 5 pavaizduotas pasiūlyto matuoklio, turinčio trijų optiškai efektyvių detektorių sistemą, laikinis matavimo proceso algoritmas, susidedantis iš šių etapų:
A - sistemos išvalymo,
B - sistemos subalansavimo,
C- matavimo procedūrų (atitinkamai kalibracinių dujų arba nežinomų dujų matavimo).
Etape A - vykdomas sistemos išvalymas, prapučiant N2 dujomis ir užtikrinant žemą CO2 dujų foną.
Etape B vykdomas sistemos balansavimas, kuris reikalingas, nes matavimų tikslumas priklauso nuo vienodos pradinės detektorių signalo įtampos matuojant atraminį (foninį signalą) ir (arba) kalibracines žinomos koncentracijos dujas visais trimis detektoriais. Todėl etape B - užtikrinama vienoda detektorių signalų įtampa (0). Skaitmeninio valdymo bloke 12 analizuojami iš diferencialinių stiprintuvų 11“ ir 1T“ išėję signalai apie (12C) ir (13C) izotopų sugertį, kurie jeigu algoritmo sąlyga tenkinama (pvz. 0 - signalai vienodi) - perduoda skaitmeninį signalą/rezultatą, kad galima pradėti matavimą, o jeigu sąlyga netenkinama (pvz., 1 - signalai nevienodi) perduoda skaitmeninį signalą į DACO arba DAC1, (kur trumpinys DAC reiškia: iš angį. Digital to Analog Converter I liet. Skaitmeninis-Analoginis Keitiklis) priklausomai kuriame detektoriuje detektuojamas skirtumas ir generuojamas diferencialinio stiprintuvo koregavimo signalas reikalingas sistemos subalansavimui. Procesas vykdomas iteraciniu principu, kol algoritmo sąlyga tenkinama.
Etape C nustatoma matavimo trukmė (pvz. 100 s) ir diskretizacijos dažnis lygus N ciklų skaičiui (pvz., kas 0,1 s, N=1000) bei vykdomas matuojamų dujų peršvietimas, roto-vibracinių virpesių sužadinimas bei atsako registravimas, kol pasiekiamas diskretizacijos N ciklų skaičius. Kiekvieno diskretinio matavimo metu tikrinama 5>(D) sąlyga, kur č=ADC0/ADC1 sugerčiai proporcingų signalų santykis D apsprendžiamas l=loexp(-alc) Beer-LambertO dėsniu, kai D=0,75 atitinkamai įsisotina matuojamas (12CO2) 11“ signalas dėl (eksponentinio) koncentracijos didėjimo žr. Fig.6). Atitinkamai priklausomai nuo δ reikšmės pildomas arba 11“, arba 1T“ duomenų masyvas bei išsaugoma δ reikšmė, kuri teikia informaciją apie 13C/12C santykį bandinyje, o rezultatai užrašomi ir vizualizuojami matavimo pabaigoje duomenų išvedimo, registravimo ir vizualizavimo įrenginyje 13 (kompiuteryje), o matavimo algoritmas sustabdomas.
Prietaisą reikia sukalibruoti žinomomis dujomis, tam atitinkamai parenkama kalibracinių dujų koncentracija dviejuose matavimo diapazonuose. Kad gauti kalibracinį tašką mažos koncentracijos CO2 diapazone parenkama mažesnė 10-100 ppm žinomų CO2 koncentracija, kad esant žinomam 12C ir 13C izotopų santykiui dujose CO2 matavimui 4,2-4,35 pm bangos ilgių diapazone atsako signalo funkcija būtų tiesinė matuojant koncentraciją pagal 12C izotopą (4” detektoriumi), o kad gauti kalibracinį tašką didelėms CO2 koncentracijoms, parenkama didesnė kalibracinių CO2 koncentracija 1000-106 ppm diapazone, kad esant žinomam 12C ir 13C izotopų santykiui dujose CO2 matavimui 4,35-4,45 pm bangos ilgių diapazone atsako signalo funkcija būtų tiesinė matuojant koncentraciją pagal 13C izotopą (4“‘ detektoriumi).
Matuoklyje darbinė kamera 2 yra sukonfigūruota taip, kad kameroje 2 dujos gali būti matuojamos dviem rėžimais:
Pirmas režimas yra nejudančio/stabilaus dujų kiekio matavimo režimas: C kiekis CO2 dujose matuojamas 4‘ ir 4“ arba 4‘ ir 4“‘detektoriais žinomų parametrų (tūris, tankis, slėgis) dujose užpildančiose visą darbinę kamerą ir uždaromą sklendėmis. Tokiu būdu CO2 koncentracija matuoja tiek kalibracinėse dujose tiek nežinomos koncentracijos tiriamosiose dujose.
Antras režimas yra pratekančių dujų sraute matavimo režimas: CO2 koncentracija dujose matuojama 4‘ ir 4“ arba 4‘ ir 4“‘detektoriais žinomų parametrų (prapūtimo greitis (tūris), tankis, slėgis) dujose užpildančiose visą darbinę kamerą ir be sklendžių. Tokiu būdu C kiekis matuojamas tiek kalibracinėse dujose tiek nežinomos kintamos koncentracijos (esant nekintantiems dujų srauto parametrams) tiriamosiose dujose per tam tikrą laiko intervalą.
Dirbant antru režimu, kai matuojamos kintamos koncentracijos pratekančios per laiko vienetą dujos, kuriose yra mažos (2-500 ppm) ir didelės 500-106 ppm koncentracijos CO2 atitinkamai analizuojant 4‘ ir 4“ir 4‘“ kiekvienu laiko momentu matuojamas tiesinis signalas nepriklausomai nuo dujų koncentracijos.
Pasiūlyto matuoklio signalų analizatorius (5) automatiškai pagal 12C ir pagal 13C izotopų sugerties linijas matuoja CO2 koncentraciją dujose plačiame koncentracijų diapazone išlaikant signalo tiesiškumą. Automatinis matavimas atliekamas apdorojant priešstiprintuviuose pastiprintų detektorių signalus (10‘, 10“, 10‘“) bei atliekant analizę 2 diferencialiniais (11“, 1T“) stiprintuvais bei skaitmeniniu valdymo bloku (12), kuris veikia pagal laikinį algoritmą.
Tokio plataus CO2 koncentracijų diapazono (nuo 1 ppm iki 106 ppm) matavimo būdo galimybė/esmė kyla iš to, kad medžiagoje esantys natūralūs izotopai 12C ir 13C sudedamosios šviesos (elektromagnetinės spinduliuotės) atžvilgiu elgiasi tam tikru būdu, todėl „optinė spektroskopija“ leidžia ištirti medžiagą sudarančių molekulių chemines ir fizines savybes, esant skirtingoms medžiagos koncentracijoms. Analizuojant bandinį spektroskopiškai įvairios optinės sąveikos, tokios kaip absorbcija, atspindys, sklaida ar liuminescencija, matuojamos kaip bangos ilgio ir fotono energijos (spektro) arba laiko ir fotono energijos (kinetikos) funkcija. CO2 molekulių sugerties spektrai matomi Fig. 2. 12CO2 4,2-4,35 pm ir Fig. 3 13CO2 4,3-445 pm bangos ilgių ruože suteikia reikalingą informaciją apie izotopinę (12C, 13C) medžiagos sudėtį ir pagal natūralius izotopų kiekius galima įvertinti CO2 koncentraciją dujose.
Efektyviam tyrimui reikalingas pakankamas detektoriaus jautrumas, tinkami filtrai - pakankama skyra matuojamam CO2 absorbcijos bangos ilgiui, išmatuota kalibracinių dujų koncentracija, žinomas medžiagos kiekis kameroje arba matuojamas medžiagos srautas per kamerą.
Šviesos šaltinis 3 gali būti bet koks plačiajuostis (nekoherentinis) šviesos šaltinis: kaitrinė lemputė, šviesos diodas - šviestukas (4000-4500 nm bangos ilgio).
CO2 detektoriai gali būti fotodiodai su priešstiprintuviu (pvz., LMS43PD-05CG-RPA arba panašių parametrų detektoriai).
Prietaisui reikalingi selektyvūs filtrai: atraminis filtras - bangos ilgis 3,8-4,1 pm bangos ilgių ruože (pralaidumo filtras centruojamas ties 3,95 pm), 12CO2 jautrus filtras 4,2-4,35 pm bangos ilgių ruože (pralaidumo filtras centruojamas ties 4,28 pm), bei 13CO2 jautrus filtras 4,35-4,45 pm bangos ilgių ruože (pralaidumo filtras centruojamas ties 4,4 pm).
Prietaiso detektoriaus filtrams naudojami 100 nm arba geresnes skiriamosios gebos individualiai projektuojami filtrai. Naudojami 2 fotodiodai su priešstipintuviais bei skirtingo pralaidumo filtrais matuoti CO2 koncentraciją ypač plačiose ribose nuo 1 ppm iki 106 ppm pagal izotopologus 12CO2 ir 13CO2. Parinkus atitinkamo bangos ilgio filtrus yra galimybė matuoti ir CO dujas 4,55-4,8 pm pagal 12CO, ir 4,65-4,9 pm pagal 13CO, naudojant tą patį šviesos šaltinį, kamerą ir tuos pačius detektorius su skirtingais filtrais.
Teoriniai 12CO2 Fig.2 ir 13CO2 Fig.3 absorbcijos spektrai 4,2-4,45pm bangos ilgių ruože (pagal HITRAN duomenų bazę).
Matavimo tikslumas priklauso nuo kalibracinių dujų bei tiriamųjų dujų koncentracijų atitikimo (spektrinių linijų intensyvumo skirtumo) bei pasirinkto spektrinio matavimo diapazono.
Naudojant 4000-4500nm LED šviestuką, jo konstrukcijoje Fig.1 pavaizduoto lęšio š funkciją atlieka integruotas į priekį sufokusuojantis specialus šviesos filtras, todėl nereikalingas šviesą fokusuojantis lęšis arba šviesą atspindintys fokusuojantys veidrodžiai.

Claims (7)

  1. Optinis CO2 koncentracijos matuoklis dujų absorbcijos pagrindu, apimantis korpusą (1), turintį darbinę kamerą (2), kur darbinės kameros (2) viename gale yra įtaisytas šviesos šaltinis (3), o kitame gale, priešais šviesos šaltinį (3), įtaisytas detektorių mazgas (4), apimantis tris detektorius (4‘, 4‘‘, 4‘‘‘) ir analizatorių (5), kur už šviesos šaltinio (3) tarp jo ir detektorių mazgo (4) išdėstyta priemonė (6), nukreipianti šviesą į detektorių (4‘, 4‘‘, 4‘‘‘) paviršius, korpuse (1) yra bent viena įėjimo anga (7), skirta tiriamoms dujoms įleisti į kamerą (2) ir išleidimo anga (8), skirta dujoms išleisti iš kameros (2), b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėti pirmasis detektorius (4‘), antrasis detektorius (4‘‘) ir trečiasis detektorius (4‘‘‘) kiekvienas yra uždengtas individualiai suprojektuotu atitinkamai skirtingu filtru (9‘), (9‘‘) ir (9‘‘‘).
  2. Matuoklis pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad detektorių mazgą sudaro: - pirmasis detektorius (4‘) su 100 nm arba didesnės skiriamosios gebos filtru (9‘) skirtas matuoti CO2 bangos ilgio (3,4–4,0 µm) neabsorbuotos šviesos intensyvumą, kaip atraminį signalą, - antrasis detektorius (4‘‘) su 100 nm arba didesnės skiriamosios gebos filtru (9‘‘) yra jautrus 12CO2 sugerties spektrui (vibracinių virpesių bangos ilgis 4,2–4,35 µm) ir matuoja CO2 koncentraciją 2–500 ppm diapazone, - trečiasis detektorius (4‘‘‘) su 100 nm arba didesnės skiriamosios gebos filtru (9‘‘‘) yra jautrus 13CO2 sugerties spektrui (vibracinių virpesių bangos ilgis 4,35–4,45 µm) ir matuoja CO2 koncentraciją 500–106 ppm diapazone.
  3. Matuoklis pagal bet kurį iš 1–2 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėtas analizatorius (5) apima priešstiprintuvius (10‘, 10‘‘, 10‘‘‘), skirtus detektorių (4‘, 4‘‘, 4‘‘‘) išėjimo signalams pastiprinti ir perduoti atitinkamai į du diferencialinius stiprintuvus (11‘‘, 11‘‘‘), skirtus gautiems signalams tarpusavyje palyginti ir perduoti į skaitmeninį valdymo bloką (12), veikiantį pagal laikinį matavimo proceso algoritmą, kuris pagal palyginimo rezultatus subalansuoja detektorių sistemą, matuojant per pasirinktą laiko tarpą atramines dujas visais trimis detektoriais, nustatant jiems vienodas darbo sąlygas, o po to atlieka matavimus tiriamose dujose palyginus antrojo ir trečiojo detektorių (4‘‘,4‘‘‘) signalus automatiškai pagal 12CO2 ir pagal 13CO2 izotopologų sugerties linijas su pirmojo detektoriaus (4‘) atraminiu signalu ir pagal gautus palyginimo rezultatus nustato CO2 koncentracijos pokytį tiriamose dujose, kuriuos perduoda į kompiuterį (13), skirtą išvesti, registruoti bei vizualizuoti rezultatus ir palyginus su analogišku kalibracinių dujų matavimu – nustatyti CO2 koncentraciją.
  4. Matuoklis pagal 1 arba 3 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad šviesos šaltinis (3) gali būti pasirinktas iš grupės, apimančios bet kokį plačiajuostį (nekoherentinį) šviesos šaltinį, tokį kaip kaitrinė lemputė arba šviesos diodas – 4000–4500nm bangos ilgio ruožo šviestukas.
  5. Matuoklis pagal bet kurį iš 1–4 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėtieji pirmasis (4‘), antrasis (4‘‘) ir trečiasis detektoriai (4‘‘‘) yra neaušinami fotodiodai.
  6. Matuoklis pagal bet kurį iš 1–5 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad darbinė kamera (2) sukonfigūruota su galimybe po užpildymo dujomis ją uždaryti ir atlikti nejudančių dujų kiekio kameroje (2) CO2 dujų koncentracijos matavimą per pasirinktą laiko tarpą.
  7. Matuoklis pagal bet kurį iš 1–5 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad darbinė kamera (2) sukonfigūruota su galimybe matavimo metu tiriamoms dujomis pro ją tekėti ir matuoti kintamos koncentracijos pratekančių per laiko vienetą CO2 dujų kiekio koncentraciją.
LT2022520A 2022-05-13 2022-05-13 Optinis CO2 koncentracijos matuoklis dujų absorbcijos pagrindu LT7040B (lt)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2022520A LT7040B (lt) 2022-05-13 2022-05-13 Optinis CO2 koncentracijos matuoklis dujų absorbcijos pagrindu
EP23169998.4A EP4276444A1 (en) 2022-05-13 2023-04-26 Optical co2 concentration meter based on ir light absorption in gas

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2022520A LT7040B (lt) 2022-05-13 2022-05-13 Optinis CO2 koncentracijos matuoklis dujų absorbcijos pagrindu

Publications (2)

Publication Number Publication Date
LT2022520A LT2022520A (lt) 2023-11-27
LT7040B true LT7040B (lt) 2023-12-27

Family

ID=83271039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LT2022520A LT7040B (lt) 2022-05-13 2022-05-13 Optinis CO2 koncentracijos matuoklis dujų absorbcijos pagrindu

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4276444A1 (lt)
LT (1) LT7040B (lt)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5650624A (en) * 1995-04-13 1997-07-22 Engelhard Sensor Technologies, Inc. Passive infrared analysis gas sensor
US5721430A (en) * 1995-04-13 1998-02-24 Engelhard Sensor Technologies Inc. Passive and active infrared analysis gas sensors and applicable multichannel detector assembles
US5747809A (en) * 1996-06-11 1998-05-05 Sri International NDIR apparatus and method for measuring isotopic ratios in gaseous samples
US20030205673A1 (en) * 2000-10-13 2003-11-06 Williams Kevin G. Respiratory gas analyzer
US20100188232A1 (en) * 2009-01-29 2010-07-29 Delphi Technologies, Inc. Breath analyzer system and method of operating the same
KR101835556B1 (ko) * 2016-12-29 2018-03-07 광운대학교 산학협력단 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스 검출센서 장치

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5650624A (en) * 1995-04-13 1997-07-22 Engelhard Sensor Technologies, Inc. Passive infrared analysis gas sensor
US5721430A (en) * 1995-04-13 1998-02-24 Engelhard Sensor Technologies Inc. Passive and active infrared analysis gas sensors and applicable multichannel detector assembles
US5747809A (en) * 1996-06-11 1998-05-05 Sri International NDIR apparatus and method for measuring isotopic ratios in gaseous samples
US20030205673A1 (en) * 2000-10-13 2003-11-06 Williams Kevin G. Respiratory gas analyzer
US20100188232A1 (en) * 2009-01-29 2010-07-29 Delphi Technologies, Inc. Breath analyzer system and method of operating the same
KR101835556B1 (ko) * 2016-12-29 2018-03-07 광운대학교 산학협력단 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스 검출센서 장치

Also Published As

Publication number Publication date
EP4276444A1 (en) 2023-11-15
LT2022520A (lt) 2023-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3947685A (en) Method and arrangement for determining nitric oxide concentration
US8077309B2 (en) Chemical analyzer for industrial process control
CN110044824B (zh) 一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置及方法
JP3343680B2 (ja) レーザー分光分析装置
US5942755A (en) Infrared optical gas-measuring system
WO2021128668A1 (zh) 气体定量检测设备及方法
JP2000512757A (ja) ガス状サンプルにおいて同位体比を測定するためのｎｄｉｒ装置および方法
JP2008517252A (ja) 熱選択性多変量光学的コンピューティング
US9001331B2 (en) Arrangement adapted for spectral analysis of high concentrations of gas
US20080011952A1 (en) Non-Dispersive Infrared Gas Analyzer
US6969857B2 (en) Compensated infrared absorption sensor for carbon dioxide and other infrared absorbing gases
JPH08304282A (ja) ガス分析装置
JP2004533620A (ja) 気体識別装置
Darby et al. Cavity-enhanced absorption using an atomic line source: application to deep-UV measurements
US5528039A (en) Method and apparatus for linearization of non-dispersive infrared detector response
WO1998052020A1 (en) Self normalizing radiant energy monitor and apparatus for gain independent material quantity measurements
LT7040B (lt) Optinis CO2 koncentracijos matuoklis dujų absorbcijos pagrindu
JPH07151685A (ja) 非分散形赤外線ガス分析計
JP3206870B2 (ja) アルゴンガス中の窒素ガス又は水蒸気の測定方法及びその装置、窒素ガス及び水蒸気の同時測定方法及びその装置
Huber et al. A selective, miniaturized, low-cost detection element for a photoacoustic CO2 sensor for room climate monitoring
RU103400U1 (ru) Лабораторный стенд для создания и контроля концентраций газообразных веществ при формировании базы спектральных данных и оценке технических характеристик фурье-спектрорадиометров
Werle Analytical applications of infrared semiconductor lasers in atmospheric trace gas monitoring
RU2319136C1 (ru) Способ определения относительной концентрации изотопомеров двуокиси углерода 12со2 и 13со2 и устройство для его осуществления
Chang et al. Detection of O18 and D Isotopes in Water Vapor using a Fiber-Coupled Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Multi-Pass Cell
Cocola et al. A non-dispersive approach for a Raman gas sensor

Legal Events

Date Code Title Description
BB1A Patent application published

Effective date: 20231127

FG9A Patent granted

Effective date: 20231227